Procédé et dispositif d'usinage par laser de guides de lumière, guides de lumière obtenus et écrans rétro-éclairés incorporant ces guides

Abstract

 Procédé de fabrication d'un guide de lumière en forme de plaque dont une face comporte une pluralité de motifs diffusants obtenus à l'aide d'un faisceau laser, caractérisé en ce que l'on expose ladite face à un rayonnement dont l'intensité est située dans une plage allant de 10⁴ à 10⁷ W/cm², en particulier de 3.10⁴ à 3.10⁶ W/cm², de manière à former des irrégularités en surface et en profondeur.

Description

[0001] La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif d'usinage par laser de guides de lumière, aux guides de lumière obtenus et aux écrans rétro-éclairés incorporant ces guides.

[0002] L'invention s'applique plus particulièrement aux guides de lumière en forme de plaque mince, généralement plane, constitués d'un matériau translucide ou transparent, en particulier du verre, du polycarbonate ou du polyméthacrylate de méthyle.

[0003] De tels guides rentrent notamment dans la constitution de dispositifs d'affichage lumineux tels que des enseignes, et dans la constitution de terminaux d'affichage d'ordinateurs et d'appareils électroniques similaires, en particulier pour le rétro-éclairage d'écrans à cristaux liquides ; dans ces applications notamment, de la lumière produite par une source est introduite dans le guide par une (ou plusieurs) de ses faces latérales (tranches), la lumière sortant du guide par une (ou deux) de ses deux faces principales généralement parallèles entre elles.

[0004] Dans ces applications notamment, on cherche à obtenir une densité du flux lumineux sortant par la face principale, qui soit la plus homogène possible ; on recherche également à éviter ou limiter les pertes ou fuites de lumière ; pour l'éclairage par l'arrière d'afficheurs à cristaux liquides (LCD), il est primordial que ces performances soient optimisées et que la masse, l'encombrement et le coût soit minimisés.

[0005] Pour fabriquer de tels guides, il est connu de former, généralement par moulage, sur la face principale du guide destinée à rayonner la lumière et à être accolée à la face arrière du LCD, des saillies et/ou des dépressions qui sont de forme régulière, par exemple prismatique et qui sont régulièrement disposés sur toute ou partie de la surface de cette face principale ; une autre technique consiste à former sur cette face des masques "ponctuels" constitués par un revêtement appliqué sur cette face et percé d'orifices pour laisser passer la lumière.

[0006] Par ailleurs il est connu du document EP-A-945 674 d'usiner des motifs diffusants linéaires d'espacement régulièrement variable à l'aide d'un faisceau laser.

[0007] La présente invention a pour objet de proposer un procédé amélioré de fabrication de ces guides de lumière visible.

[0008] Un objectif est de proposer un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.

[0009] Un objectif est de proposer des guides de lumière et des dispositifs d'affichage incorporant ces guides, qui soient améliorés.

[0010] A cet effet et selon un premier aspect, on expose une face principale du guide, qui est destinée à diffuser la lumière (visible), à un rayonnement laser suffisamment intense et/ou suffisamment prolongé pour former à la surface de ladite face principale une dépression (dite centrale) de forte amplitude ainsi qu'une pluralité (plusieurs dizaines ou centaines) de saillies et/ou dépressions (dites périphériques) irrégulières, qui sont disposées de part et d'autres de (et/ou qui entourent) ladite dépression centrale, et dont l'amplitude (en surface et en relief) est généralement irrégulière et inférieure à l'amplitude de ladite dépression centrale.

[0011] Selon un autre aspect, on expose une face principale du guide à un rayonnement laser suffisant pour provoquer la formation en surface de plusieurs saillies (et dépressions respectives) différentes les unes des autres par leur forme et leur hauteur (respectivement leur profondeur), et pour provoquer la formation, à l'intérieur du guide et sensiblement en regard desdites saillies et dépressions, de zones hétérogènes différant les unes des autres par leur taille, leur forme et leur indice de réfraction.

[0012] De préférence à cet effet on soumet ladite face principale à un rayonnement dont l'intensité est située dans une plage allant de 10⁴ à 10⁷ W/cm², en particulier allant de 3.10⁴ à 3.10⁶ W/cm² ; pour obtenir un faisceau laser concentré à partir du faisceau émis par une source disponible dans le commerce, on intercale sur le trajet du faisceau un concentrateur constitué de préférence par un miroir paraboloïde ; on prévoit par ailleurs des moyens de maintien du miroir à une distance prédéterminée de ladite face principale.

[0013] La présence de ces déformations et irrégularités, tant à la surface de la face principale de la plaque guide qu'à l'intérieur de celle-ci, est à l'origine d'une diffusion améliorée et régulièrement répartie de la lumière sortant par cette face principale du guide ; il est vraisemblable que la présence des saillies et dépressions irrégulières contribue notablement aux bonnes performances constatées qui ressortent des mesures effectuées sur des échantillons traités conformément à l'invention.

[0014] A cet effet il est important d'obtenir en sortie du concentrateur un faisceau comportant une zone (ou tache) focale de petites dimensions ; de préférence le diamètre de cette tache focale est situé dans une plage allant de 10 à 200 microns, en particulier allant de 25 à 100 microns.

[0015] Il est en outre important de maintenir le plan focal contenant cette tache au voisinage immédiat de la surface à usiner, en particulier à une distance de celle-ci de l'ordre de plus ou moins 10 microns à plus ou moins 100 microns.

[0016] A cet effet, et en particulier pour l'usinage de matériaux transparents en plaque dont l'épaisseur varie d'une plaque à l'autre et/ou varie d'une zone à l'autre d'une plaque déterminée, il est nécessaire de prévoir des moyens dynamiques de positionnement du concentrateur par rapport à cette surface, afin que la distance entre la surface de la plaque et le plan focal reste dans ces limites ; à cet effet, selon un mode préféré de réalisation, le miroir est lié mécaniquement à une pièce formant un talon d'appui pneumatique sur cette surface pour obtenir une distance constante entre le talon et la surface (laquelle distance est généralement de l'ordre de 10 à 100 microns).

[0017] Dans un mode de réalisation préféré où la dépression centrale s'étend selon une ligne continue et rectiligne, celle-ci forme une rigole le long de chacun des bords de laquelle s'étend une zone (ou bande latérale) de saillies et dépressions irrégulièrement formées et disposées ; cette rigole (ou rainure) présente de préférence une profondeur allant de 5 à 50 microns, une largeur allant de 5 à 200 microns, en particulier voisine de 50 à 100 microns, et chacune desdites zones s'étend sur une largeur de valeur sensiblement égale à celle de la rigole centrale ; de préférence la largeur moyenne d'un motif diffusant (comportant ladite rainure et les deux bandes latérales) est supérieure à 100 microns et inférieure à 400 microns, en particulier comprise entre 100 et 250 microns.

[0018] De préférence le dispositif d'usinage comporte :

• une table apte à supporter une plaque de matériau transparent à usiner,
• une source laser apte à émettre un faisceau laser, qui est montée fixe par rapport à la table,
• un ou plusieurs miroirs pour réfléchir ledit faisceau et le diriger sensiblement parallèlement à la table,
• ledit concentrateur de faisceau qui est monté mobile par rapport à la table selon au moins deux directions orthogonales (deux axes X et Y), de manière à pouvoir se déplacer notamment selon un faisceau de segments de droites parallèles pour former des rainures diffusantes parallèles ;
  ledit concentrateur (ou miroir paraboloïde) est en outre monté mobile (par rapport à la table) selon une troisième direction (troisième axe Z) généralement orthogonale aux deux premières, de manière à permettre de faire coïncider son plan focal de sortie avec la surface à usiner.

[0019] Un élargisseur ("expander") de faisceau, par exemple constitué par un couple de lentilles coaxiales de distances focales différentes, est de préférence disposé entre la source et le concentrateur, et est de préférence monté fixe par rapport à la table ; cet élargisseur permet de diminuer la dimension de la tache focale en sortie du concentrateur, par augmentation de l'ouverture du faisceau.

[0020] L'usinage d'un motif diffusant et réfractant à la surface et dans la masse de la plaque est obtenu en déplaçant la tache focale de sortie du concentrateur à la surface de la plaque ; en particulier cet usinage est obtenu en déplaçant un miroir paraboloïde maintenu par un coussin d'air (ou d'un autre gaz), à une distance constante de la surface à usiner, qui correspond à sa distance focale ; la vitesse de ce déplacement est de préférence choisie dans une plage allant de 0,2 mètre/seconde à 4 mètres/seconde, afin d'adapter la densité d'énergie rayonnée à la "dureté" du matériau à usiner, ainsi qu'à la profondeur et à la largeur moyenne désirée pour les dépressions formées.

[0021] L'utilisation d'un miroir paraboloïde permet d'améliorer la focalisation du faisceau réfléchi par le miroir pour la formation d'une petite tâche focale dans le plan focal.

[0022] Dans le cas préféré où l'injection de lumière est effectuée par un seul bord longitudinal d'une plaque guide rectangulaire, on équipe celle-ci d'un miroir s'étendant contre (et en regard du) bord longitudinal opposé à celui par lequel la lumière est injectée dans le guide ; pour le rétro-éclairage d'un afficheur LCD, on utilise de préférence une rangée de LED comme source de lumière, en particulier des LED émettant une lumière "blanche" ou bien une série de groupes de trois LED émettant une lumière trichrome permettant de faire une synthèse additive (rouge, vert, bleu, rouge, vert, bleu,...) ; pour diminuer l'encombrement du dispositif d'affichage, on peut utiliser des LED intégrées à un circuit CMS de forme allongée correspondant à la forme de la tranche, et on peut utiliser un guide plaque d'épaisseur allant de 1 à 2 mm environ.

[0023] Alternativement, la source peut être constituée par un tube tel qu'un tube CCFT ("Cold Cathod Fluorescent Tube").

[0024] La face principale (émettrice) du guide peut comporter une pluralité de motifs diffusants en forme de points (ou taches) ; cependant, de préférence, ces motifs s'étendent sous forme de segments de droite parallèles au bord par lequel la lumière est injectée, de profil (largeur et hauteur) sensiblement constant, et dont l'espacement varie sensiblement régulièrement et de façon non monotone : la distance entre deux segments adjacents diminue lorsqu'on se déplace de la tranche d'injection de lumière jusqu'à une zone du guide intermédiaire entre cette tranche d'injection et la tranche de réflexion qui s'étend sur le bord opposé du guide, puis cette distance augmente lorsqu'on se déplace de ladite zone intermédiaire jusqu'à ladite tranche de réflexion ; de préférence cette diminution et cette augmentation s'effectuent sensiblement (par exemple à 10 % près) selon une progression géométrique.

[0025] En variante ces motifs diffusants linéaires peuvent être sensiblement régulièrement espacés ; dans ce cas la largeur et/ou la profondeur de ladite dépression centrale (ou rainure) varie de façon non monotone de ladite tranche d'injection à ladite tranche de réflexion, en sens inverse de la variation décrite ci-avant de la distance entre rainures identiques ; à cet effet on peut faire varier, d'un motif diffusant à l'autre, l'énergie rayonnée, par exemple en faisant varier la puissance délivrée en sortie par la source laser, et/ou en faisant varier l'écartement entre le plan focal de sortie du concentrateur et la surface à usiner.

[0026] Ces variations non monotones sont également applicables lorsque deux sources sont prévues qui injectent la lumière par deux bords opposés de la plaque guide ; dans le cas où une seule source (linéaire) est utilisée et où la tranche opposée n'est pas équipée d'un miroir, on peut utiliser un espacement monotonement variable tel que décrit dans le document EP 945 674.

[0027] L'excellent rendement et la très bonne diffusion de lumière en sortie du guide peut, dans certaines applications, permettre de supprimer l'écran diffusant qui est habituellement prévu pour le rétro-éclairage d'un afficheur LCD et qui est généralement disposé entre le guide et l'afficheur ou en avant de l'afficheur.

[0028] Il a été en outre constaté que les guides de lumière selon l'invention sont particulièrement adaptés pour obtenir une diffusion très homogène de la lumière issue d'une pluralité de sources (LED), malgré le caractère discontinu (hétérogène) du flux lumineux injecté par la tranche dans cette configuration.

[0029] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention.

[0030] La figure 1 illustre en perspective schématique deux motifs diffusants linéaires formés sur un guide de lumière et présentant des déformations irrégulières en surglace et des hétérogénéités en profondeur.

[0031] La figure 2 illustre de façon schématique les principaux composants d'un dispositif selon l'invention.

[0032] La figure 3 illustre en vue latérale schématique un détail de réalisation d'un support de concentrateur de faisceau laser ; la figure 5 illustre à échelle agrandie les moyens permettant la production d'un coussin d'air entre le talon du support de miroir concentrateur et la face supérieure de la plaque à usiner, ainsi que les moyens de production d'un rideau d'air protégeant ce miroir des projections résultant de l'usinage.

[0033] La figure 4 illustre en vue en perspective schématique, un afficheur LCD muni d'un guide selon l'invention.

[0034] La source laser CO₂ 1 (figure 2) de puissance de préférence située dans une plage allant de 10 à 100 W, en particulier voisine de 50 W, produit en sortie un faisceau laser 2 dont le diamètre est de quelques millimètres ; ce faisceau traverse un "expander" 3 de sorte que le diamètre du faisceau laser 4 sortant est multiplié par un coefficient voisin de 2 à 3.

[0035] Le faisceau 4 est réfléchi par un miroir paraboloïde 5 qui produit en sortie un faisceau 6 convergent dans son plan focal (figure 3) ; lorsque ce plan 7 coïncide sensiblement avec un plan tangent à la face supérieure 8 d'une plaque 9 à usiner, l'intensité du rayonnement au point focal du miroir 5 provoque une élévation très importante de la température du matériau constituant la plaque, au voisinage de ce point focal ; il en résulte une déformation très rapide et irrégulière de la plaque dans ce voisinage, en surface et en profondeur ; en déplaçant le miroir 5 parallèlement à la plaque 9, il en résulte la formation d'une rainure 10 de profil irrégulier, qui est bordée par deux zones 11, 12 latérales en forme de bande ou bourrelets dans lesquelles on observe la formation de cratères et aspérités 13 disposés irrégulièrement.

[0036] La plaque rectangulaire en matériau transparent 9 est posée à plat sur une table 14 à laquelle est solidarisée la source 1 ; le miroir 5 est monté mobile par rapport à la table 14 selon deux axes X et Y (figure 2) parallèles au plan de la table support 14 ; le déplacement selon ces deux axes du miroir 5 est obtenu par exemple à l'aide de deux translateurs (non représentés) linéaires (tels que des vérins ou convoyeurs) s'étendant selon deux axes orthogonaux et parallèles au plan de la table 14 ; ce mouvement est commandé par un ordinateur (non représenté) équipé d'un programme de calcul de la position, de l'écartement et/ou de la largeur 15 et de la profondeur 16 (figure 1) moyenne des motifs diffusants devant être formés sur la face 8 de la plaque 9, et/ou de la durée d'exposition et/ou de la vitesse de déplacement du miroir selon ces axes et/ou de l'intensité du faisceau 2, permettant d'obtenir des motifs de forme et caractéristiques diffusantes prédéterminées.

[0037] Par ailleurs le miroir 5 (et/ou son support 17) est monté mobile par rapport à la table 14 selon un axe Z perpendiculaire au plan XY de la table (figure 3) ; un talon 18 solidaire du support 17 et/ou du miroir 15 est muni à sa base d'une facette 19 plane pour "s'appuyer", par l'intermédiaire d'un coussin d'air, sur la face supérieure 8 de la plaque, au voisinage de la zone usinée par le faisceau 6 ; à cet effet la face 19 est percée d'un orifice 20 par lequel est éjecté de l'air sous pression déliré par une source (non représentée) et transporté jusqu'à l'orifice 20 par un conduit 21 prévu dans le talon 18 ; l'air éjecté par l'orifice 19 frappe la face 8 et s'écoule selon les flèches 22 (figure 5 illustrant à échelle agrandie un détail de la figure 3) ; le maintien du débit (et/ou de la pression) d'air éjecté à une valeur déterminée permet de maintenir la base 19 du talon 18 au dessus de la face 8, à une hauteur 24 constante de l'ordre quelques dizaines de microns ; par conséquent la plan focal 7 est maintenu à une distance constante (sensiblement nulle) de la face 8 ; ce dispositif permet de contrôler et/ou maintenir une intensité et une largeur d'impact déterminée du faisceau 6 sur la face 8 de la plaque.

[0038] L'air sous pression éjecté selon la flèche 23 en direction du faisceau 6 permet en outre d'éviter et/ou de limiter l'encrassement du miroir 5 par des projections résultant de l'altération thermique de la plaque 9 par le faisceau 6, en favorisant l'entraînement de particules susceptibles de se détacher de la plaque, en formant un rideau d'air protégeant le miroir ; cet effet peut être augmenté en prévoyant un deuxième orifice 25 de sortie d'air sous pression sur une face latérale 27 du talon 18, pour provoquer la formation d'un autre jet 26 dirigé vers le faisceau 6, ce qui favorise l'éloignement du miroir pour les particules résultant de l'attaque de la plaque par le faisceau.

[0039] Par référence à la figure 1, la face 8 de la plaque 9 en matière plastique transparente comporte deux motifs diffusants linéaires parallèles ; chaque motif comporte une rainure 10 de largeur 15 voisine de 20 microns et de profondeur 16 voisine de 15 microns ; chaque rainure est bordée d'une bande latérale gauche 11 et droite 12, chaque bande de largeur 30 voisine de 70 microns comportant des aspérités 13 irrégulièrement formées et disposées ; sous chaque motif 10, 11, 12 s'étend une bande de matière 28 de propriété optique (indice) sensiblement différente de celle de la partie 29 du matériau située entre deux motifs.

[0040] Par référence à la figure 4, le dispositif 31 d'affichage comporte un afficheur 32 à cristaux liquide contre la face arrière duquel est accolée la face 8 diffusante du guide 9 de lumière ; un écran mince 33 diffusant blanc est accolé contre la face arrière 34 du guide 9 qui est à l'opposé de la face 8 ; le long de la tranche inférieure de la plaque 9 s'étend un circuit 35 muni d'une pluralité de LED 36 sensiblement régulièrement espacées ; le long de la tranche supérieure de la plaque 9 s'étend un miroir 37 qui réinjecte dans le guide la partie (par exemple de l'ordre de 20 %) de lumière incidente non diffusée par la face 8 ; la luminance de la face 8 du guide 9 peut atteindre - et le cas échéant dépasser - 500 cd par mètre carré.

[0041] Selon une variante non représentée, le dispositif 31 d'affichage peut comporter deux guides 9 de lumière accolés : la face avant 8 d'un guide "arrière" étant accolée à la face arrière 34 d'un guide "avant", et chaque guide étant associé à une source respective ; on peut ainsi obtenir une luminance sensiblement doublée pour la face avant 8 du guide avant, soit de l'ordre de 1000 cd/m².

Revendications

1. Guide (9) de lumière en forme de plaque dont une face (8) comporte une pluralité de motifs diffusants, dans lequel chacun desdits motifs comporte une dépression (10) et des saillies périphériques (13) disposées de part et d'autre de ladite dépression.

2. Guide selon la revendication 1 dans lequel ladite dépression est en forme de rainure, dans lequel lesdites saillies périphériques forment deux bandes latérales (11, 12) s'étendant le long des bords de la rainure, et dans lequel la profondeur de la rainure est située dans une plage allant de 5 à 50 microns.

3. Guide selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la largeur moyenne desdits motifs diffusants est supérieure à 100 microns et inférieure à 400 microns.

4. Guide selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 qui est constitué d'un matériau transmettant la lumière visible qui est choisi parmi le verre, le polycarbonate, le polymethacrylate de méthyle.

5. Guide selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la largeur de ladite dépression est située dans une plage allant de 5 à 200 microns.

6. Dispositif d'affichage comportant un afficheur à cristaux liquides et un guide (9) de lumière en forme de plaque dont une face (8) comporte une pluralité de motifs diffusants, dans lequel chacun desdits motifs comporte une dépression (10) centrale de forme irrégulière et des saillies périphériques (13) disposées de part et d'autre de ladite dépression centrale.

7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le guide (9) est conforme à la revendication 2 et est accolé contre la face arrière dudit afficheur à cristaux liquides, et ledit dispositif comporte en outre un miroir s'étendant le long d'une première tranche du guide (9), et une pluralité de LED montées sur un circuit et s'étendant le long d'une deuxième tranche du guide opposée à la première tranche.

8. Procédé de fabrication d'un guide (9) de lumière en forme de plaque dont une face (8) comporte une pluralité de motifs diffusants obtenus à l'aide d'un faisceau laser, dans lequel on expose ladite face à un rayonnement dont l'intensité est située dans une plage allant de 10⁴ à 10⁷ W/cm², de manière à former des irrégularités en surface et en profondeur, et de sorte que chacun desdits motifs comporte une dépression (10) centrale et des saillies périphériques (13) disposées de part et d'autre de ladite dépression centrale.

9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel on expose ladite face à un rayonnement dont l'intensité est située dans une plage allant de 3.10⁴ à 3.10⁶ W/cm².

10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel on concentre le faisceau laser dans un plan focal (7) que l'on maintient sensiblement confondu avec la face (8) grâce à un appui par coussin d'air, sur la face (8), d'un support (17, 18) d'un concentrateur (5) du faisceau.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel on augmente le diamètre du faisceau laser (2, 4) émis par une source avant de le concentrer, et dans lequel on concentre le faisceau pour former une tache focale de diamètre situé dans une plage allant de 10 à 200 microns.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 dans lequel on déplace le faisceau (6) concentré selon deux axes (X,Y) et à une vitesse choisie dans une plage allant de 0,2 mètre/seconde à 4 mètres/seconde.

13. Dispositif de fabrication d'un guide (9) de lumière en forme de plaque dont une face (8) comporte une pluralité de motifs diffusants obtenues à l'aide d'un faisceau laser, lequel dispositif comporte un concentrateur (5) du faisceau laser et des moyens permettant de faire sensiblement coïncider le plan focal (7) de sortie du concentrateur avec la face (8), pour obtenir un faisceau concentré permettant la formation de motifs comportant une dépression (10) et plusieurs saillies périphériques (13) disposées de part et d'autre de ladite dépression.

14. Dispositif selon la revendication 13, qui comporte :

- une table (14) apte à supporter une plaque (9) de matériau transparent à usiner,

- une source (1) laser apte à émettre un faisceau (2) laser, qui est montée fixe par rapport à la table,

- un ou plusieurs miroirs pour réfléchir ledit faisceau et le diriger sensiblement parallèlement à la table,

- un concentrateur (5) de faisceau qui est monté mobile par rapport à la table selon au moins deux premières directions (X et Y) orthogonales, de manière à pouvoir être déplacé notamment selon un faisceau de segments de droites parallèles pour former des rainures diffusantes parallèles,
ledit concentrateur étant en outre monté mobile par rapport à la table selon une troisième direction généralement orthogonale aux deux premières directions, de manière à permettre de faire coïncider son plan focal de sortie avec la surface à usiner.

15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14 qui comporte en outre un élargisseur (3) de faisceau, disposé entre la source laser (1) et le concentrateur de faisceau (5).

16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans lequel le concentrateur comporte un miroir paraboloïde.

17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 16 qui comporte en outre des moyens de production d'un jet ou d'un rideau de gaz pour protéger le concentrateur et éviter ou limiter son encrassement.

18. Guide de lumière susceptible d'être obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12.

Dessins